studi eksperimental unjuk kerja lpg engine...

iii

HALAMAN JUDUL

TUGAS AKHIR – TM141586

STUDI EKSPERIMENTAL UNJUK KERJA LPG –ENGINE GENERATOR SET BERBAHAN BAKAR CNG DENGAN VARIASI SUDUT PENGAPIAN DAN AFR

SYAHRUL NI’AM

NRP. 2113 105 029

Dosen Pembimbing

Dr. Bambang Sudarmanta, ST., MT.

JURUSAN TEKNIK MESIN

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Surabaya

2016

ii

FINAL PROJECT – TM141586

EXPERIMENTAL STUDY FOR IGNITION TIMING AND AFR VARIATION OF LPG – ENGINE GENERATOR SET PERFORMANCES WITH CNG FUELED

SYAHRUL NI’AM

NRP. 2113 105 029

Advisor


DEPARTEMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

Faculty of Technology

Institute of Technologi Sepuluh Nopember

Surabaya

2016

TUGAS AKHIR – TM141586

STUDI EKSPERIMENTAL UNJUK KERJA LPG-ENGINE GENERATOR SET BERBAHAN BAKAR CNG DENGAN VARIASI SUDUT PENGAPIAN DAN AFR

SYAHRUL NI’AM

NRP. 2113 105 029

Dosen Pembimbing


JURUSAN TEKNIK MESIN

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Surabaya

2016

STUDI EKSPERIMENTAL UNJUK KERJA LPG-ENGINE GENERATOR SET BERBAHAN BAKAR

CNG DENGAN VARIASI SUDUT PENGAPIAN DAN AFR

TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Pada

Bidang Studi Konversi Energi Program Studi S-1 Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Oleh : SYAHRUL NI’AM Nrp. 2113 105 029

Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir : 1. Dr. Bambang Sudarmanta, ST.MT ........... (Pembimbing) NIP. 197301161997021001

2. Ary Bachtiar, ST., MT., Ph.D ..……… (Penguji I) NIP. 197105241997021001

3. Ir. Kadarisman ………… (Penguji II) NIP. 194901091974121001

4. Prof. Dr. Ir. Djatmiko Ichsani, M.Eng.…….(Penguji III) NIP. 195310191979031003

SURABAYA JANUARI, 2016

iv

STUDI EKSPERIMENTAL UNJUK KERJA LPG ENGINE - GENERATOR SET BERBAHAN BAKAR CNG DENGAN

VARIASI SUDUT PENGAPIAN DAN AFR

Nama Mahasiswa : Syahrul Ni’am NRP : 2113 105 029 Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS Pembimbing : Dr. Bambang Sudarmanta, S.T., M.T.

Abstrak Kebutuhan energi listrik hampir menjadi kebutuhan primer

bagi masyarakat modern di Indonesia. Hal ini dikarenakan energi listrik termasuk salah satu jenis energi yang mampu dirubah menjadi energi lain dan banyak membantu kegiatan sehari-hari. Salah satu alat penghasil listrik adalah LPG ENGINE GENERATOR SET. Alat ini merupakan salah satu jenis GENSET yang digerakkan oleh Spark Ignition engine serta didesign mampu beroperasi dengan dua jenis Bahan Bakar Gas (BBG) yaitu LPG dan CNG. Diantara beberapa karakterisasi pembakaran, salah satu properties yang mempengaruhi proses pembakaran adalah flame speed dan AFR, Nilai stochiometric ratio CNG dan LPG yang berbeda serta karakter flame speed LPG dan CNG yang lebih rendah dari pada bensin menjadikan perlunya pengaturan sudut pengapian serta campuran bahan bakar dan udara yang sesuai agar proses pembakaran yang terjadi menjadi optimal.

Penelitian ini dilakukan secara eksperimental pada mesin LPG GENSET Green Power CC5000-LPG yang telah dilakukan perubahan sistem pengapiannya dari sistem pengapian magneto menjadi sistem pengapian ECU-Programable agar mampu divariasikan sudut pengapiannya, serta ditambahkan komponen tambahan seperti DC blower yang diletakkan pada saluran inlet udara dan diberikan komponen pressure regulator pada saluran inlet bahan bakar agar bisa mengvariasikan AFR. Selain itu juga peneliti membandingkan pengaruh perubahan unjuk kerja mesin

v

berbahan bakar LPG dengan CNG. Variasi sudut pengapian yang dilakukan antara lain 20o, 23o dan 26o BTDC. Selanjutnya variasi tekanan masuk bahan bakar yang diberikan diantaranya 40 mbar, 80 mbar, 120 mbar , dan 160 mbar. Kemudian variasi blower dilakukan dengan merubah voltage regulator yaitu 12 V dan 24 V.

Hasil keseluruhan pengujian unjuk kerja LPG engine Generator set berbahan bakar CNG terbaik yaitu pada variasi sudut pengapian 26oBTDC, 24 V DC Blower dan variasi tekanan 120 mbar dengan peningkatan Ne : 48,31%, MEP : 46,91%, Torsi 46,911%, efisiensi thermal : 95,35%, efisiensi volumetric : 102,77% serta penurunan SFC : 46,909% dibandingkan menggunakan bahan bakar LPG Standard. selanjutnya kondisi operasi pengujian terbaik diatas memiliki kandungan emisi rata – rata senilai CO : 0,057 %vol. ; CO2 : 3,578 %vol ; dan HC : 85,5 Ppm dan masih dibawah ambang batas emisi. Kata kunci: LPG GENERATOR SET, ECU-Programable,

BTDC, Stochiometric Ratio, Flame Speed, AFR, Sistem Pengapian Magneto, Ne, Torsi, MEP, SFC, Efisiensi Termal, Efisiensi Volumetric.

vi

EXPERIMENTAL STUDY FOR IGNITION TIMING AND AFR VARIATION OF LPG ENGINE - GENERATOR SET

PERFORMANCE WITH CNG FUELED

Student Name : Syahrul Ni’am NRP : 2113 105 029 Department : Teknik Mesin FTI-ITS Advisor : Dr. Bambang Sudarmanta, S.T., M.T.

Abstract Electrical energy requerement almost become a primary

consumtion for modern society in Indonesia. that because the electrical energy is the one type of energy which can to be converted into other energy and helped many daily activities. One means of generating electricity is LPG GENERATOR SET. this is the one type of Genenerator that driven by Spark Ignition engines system and designed capable of operating with two types of Fuel Gas, namely LPG and CNG. Among the characterization of combustion, one of the properties that make some affect to the combustion process is flame speed and AFR, stochiometric ratio of CNG and LPG are different as well as the character of flame speed LPG and CNG are lower than on gasoline makes the necessity to mapping for ignition timing to make support as well as the mixture of fuel and air appropriate the combustion process to make optimal performance engine.

This research was carried out experimentally on the LPG

ENGINE GENERATOR Green Power CC5000-LPG who was changed from magneto ignition system into ECU-Programmable ignition system, so that the ignition timing can be variated by ECU, as well as add some components to support the combustion such as a DC blower who is placed on the inlet channel air and given pressure regulator on the fuel inlet line in. It also compared the effects of performance LPG-engine who fueled with CNG. the variation of ignition timing are 20o, 23o and 26o BTDC.

vii

Furthermore, the fuel inlet pressure will be variated on 40 mbar to 80 mbar, 120 mbar and 160 mbar. Then the blower variation is done by changing the voltage regulator about 12 V and 24 V.

The overall best data of performance testing LPG engine generator with CNG fueled are 26oBTDC ignition timing , 24 V DC Blower and 120 mbar variation pressure, the rising performance are Ne: 48.31%, MEP: 46.91%, 46.911% torque, Thermal efficiency: 95.35%, volumetric efficiency: 102.77% and a decrease in SFC: 46.909% compared to using LPG fuel standard. the emision result for that operating conditions are CO: 0.057% vol. ; CO2: 3.578% vol; and HC: 85.5 ppm and that still below of the standard emission limits on Indonesian country. Keyword: LPG GENERATOR SET, ECU-Programable,

BTDC, ignition timing, Stochiometric Ratio, Flame Speed, AFR, Magneto ignition system, Ne, Torsi, MEP, SFC, Thermal efficiency, Volumetric efficiency, CO, CO2, HC.

viii

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, segala puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT. Karena atas rahmat dan hidayah-Nya, tugas akhir yang berjudul “STUDI EKSPERIMENTAL UNJUK KERJA LPG ENGINE - GENERATOR SET BERBAHAN BAKAR CNG DENGAN VARIASI SUDUT PENGAPIAN DAN AFR “ ini dapat disusun dan diselesaikan dengan baik dan lancar.

Tugas Akhir ini merupakan salah satu persyaratan yang harus dipenuhi oleh setiap mahasiswa Program Studi S1 Teknik Mesin Produksi ITS Surabaya, sesuai dengan kurikulum yang telah ditetapkan. Selain itu Tugas Akhir ini juga merupakan suatu bukti yang diberikan almamater dan masyarakat.

Banyak dorongan dan bantuan yang penulis dapatkan selama penyusunan Tugas Akhir ini sampai terselesaikannya laporan. Untuk itu penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih dan penghargaan sebesar-besarnya kepada :

1. Allah SWT dan junjungan besar Nabi Muhammad SAW yang telah memberikan ketenangan dalam jiwaku.

2. Dr. Bambang Sudarmanta, ST., MT sebagai Dosen Pembimbing yang telah dengan sangat sabar, tidak bosan-bosannya membantu dan memberikan ide serta ilmu hingga terselesaikannya Tugas Akhir ini.

3. Ayah dan Ibu serta saudara-saudaraku tercinta yang benar - benar memberikan dorongan dan semangat dengan cinta dan kasih sayangnya yang tiada batas dan tak terbalaskan, doa dan restunya.

4. Dosen tim penguji yang telah memberikan kritik dan saran dalam penyempurnaan dan pengembangan Tugas Akhir ini.

ix

5. Seluruh dosen dan staf pengajar Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS, yang telah memberikan ilmunya dan membantu semua selama menimba ilmu di bangku kuliah.

6. Seluruh keluarga laboratorium teknik pembakaran dan bahan bakar yang telah menyediakan tempat dan telah memberikan bantuan dalam proses penyelesaian tugas akhir ini.

Semoga segala keikhlasan dan kebaikan yang telah diberikan mendapatkan balasan yang terbaik dari Tuhan Yang Maha Esa, Amin.

Karena keterbatasan waktu dan kemampuan penulis, sebagai manusia biasa kami menyadari dalam penulisan ini masih terdapat beberapa kesalahan dan kekurangan. Oleh karena itu, kami mengharap kritik dan saran membangun sebagai masukan untuk penulis dan kesempurnaan Tugas Akhir ini. Semoga dengan penulisan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak yang memerlukan, mahasiswa Mesin pada khususnya.

Surabaya, Januari 2016

Penulis

x

DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL …………….…………….…………….…… LEMBAR PENGESAHAN…………….…………….………… ABSTRAK…………….…………….…………….……………. KATA PENGANTAR…………….…………….…………….… DAFTAR ISI…………….…………….…………….……………. DAFTAR GAMBAR…………….…………….…………….…… BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang.................................................................. 1.2 Perumusan Masalah........................................................... 1.3 Batasan Penulisan............................................................... 1.4 Tujuan Penulisan............................................................. 1.5 Manfaat Masalah................................................................ BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI 2.1 Siklus Motor Otto……………………………………………. 2.2 Pembakaran Pada Otto Engine…………….…………….…… 2.2.1 Diagram Tekanan – Derajat Engkol…………….……… 2.2.2 Reaksi Kimia Proses Pembakaran…………….………… 2.3 Jenis Bahan Bakar…………….…………….…………….…

2.3.1 Bahan Bakar LPG…………….…………….…………… 2.3.2 Bahan Bakar CNG…………….…………….……………

2.4 Karakteristik Bahan Bakar terhadap Performa Engine……… 2.4.1 Volume Silinder Engine…………….…………….…… 2.4.2 Flame Speed…………….…………….…………….…… 2.4.3 Calorific Value (Nilai Kalor) …………….……………. 2.4.4 Spark Timing…………….…………….…………….… 2.5 Parameter Unjuk Kerja Motor Otto…………….……………. 2.5.1 Daya Efektif (Ne) …………….…………….…………… 2.5.2 Mean Effective Pressure (MEP) …………….………… 2.5.3 Torsi…………….…………….…………….…………… 2.5.4 Spesific Fuel Consumtion (SFC).….…………….…… 2.5.5 Effisiensi Thermal (ηth) …………….…………….……

i iii iv viii x xii 1 3 3 3 4 5 10 10 12 13 13 14 16 16 16 17 19 22 23 23 25 25 25

xi

2.5.5 Efisiensi Volumetris (ηv) …………….…………….…… 2.6 Polusi Udara…………….…………….…………….………… 2.6.1 Hidrokarbon (HC) …………….…………….………… 2.6.2 Karbon Monoksida (CO) …………….…………….…… 2.6.3 Karbon Dioksida (CO2) …………….…………….…… 2.6.4 Ambang Batas Emisi Gas Buang. …………….………… 2.7 Engine Control Unit (ECU) …………….…………….………

BAB III METODOLOGI 3.1 Metode Pengujian…………….…………….…………….… 3.2 Alat Uji…………….…………….…………….……………. 3.2.1 Engine Test…………….…………….…………….…… 3.2.2 Alat Ukur…………….…………….…………….……… 3.2.3 Converter kit dan Peralatan Modifikasi Tambahan…… 3.3 Skema Penelitian…………….…………….…………….…… 3.4 Prosedur Pengujian…………….…………….…………….… 3.4.1 Modifikasi saluran inlet udara dengan posisi swing valve

karburator fully open…………….…………….……… 3.4.2 Modifikasi Saluran Bahan Bakar Gas. …………….…… 3.4.3 Modifikasi Sistem Pengapian LPG Engine-Generator Set 3.4.4 Tahapan Pengujian…………….…………….………… 3.5 Flowchart Penelitian…………….…………….……………. 3.5.1 Flowchart Percobaan LPG…………….…………….… 3.5.2 Flowchart Percobaan CNG…………….…………….… 3.6 Rancangan Eksperimen…………….…………….…………. BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN 4.1 Pengujian Eksperimen…………….…………….……………. 4.2 Contoh Perhitungan Eksperimen…………….…………….… 4.2.1 Perhitungan Mass flow Udara (ṁair) …………….……… 4.2.2 Perhitungan Mass flow Bahan Bakar (ṁfuel) ……………. 4.2.3 Perhitungan Air Fuel Ratio (AFR) …………….……… 4.2.4 Perhitungan Daya Efektif (Ne) …………….……………. 4.2.5 Perhitungan Tekanan Efektif Rata-rata (MEP) ………… 4.2.6 Perhitungan Torsi (τ) …………….…………….………

26 26 28 28 28 29 30 33 33 33 34 38 31 42 42 43 44 46 50 50 51 52 55 57 57 59 61 62 63 64

xii

4.2.7 Perhitungan Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC) … 4.2.8 Perhitungan Efisiensi Thermal (ηth) …………….……… 4.2.9 Perhitungan Efisiensi Volumetric (ηv) …………….…… 4.2.10 Analisa Teorities Perbandingan Penyerapan Energi

Bahan bakar LPG dibanding CNG dalam Satu Siklus… 4.3 Analisa Unjuk Kerja Mesin LPG Generator set…………..

4.3.1 Analisa Unjuk Kerja Mesin LPG Generator Set Berbahan Bakar LPG…………….…………….………

4.3.2 Analisa Unjuk Kerja Mesin LPG Generator set Berbahan Bakar CNG…………….…………….………

4.3.2.1 Grafik Daya Efektif vs Beban …………….……… 4.3.2.2 Grafik MEP vs Beban…………….…………….…… 4.3.2.3 Grafik Torsi vs Beban…………….…………….… 4.3.2.4 Grafik SFC vs Beban…………….…………….…… 4.3.2.5 Grafik Efisiensi Thermal vs Beban…………….…… 4.3.2.6 Grafik Efisiensi Volumetric vs Beban…………….…

4.4 Analisa Temperatur Kondisi Operasional Mesin……………. 4.4.1 Analisa Kondisi Temperatur Engine…………….……… 4.4.2 Analisa Kondisi Temperatur Oil…………….………… 4.4.3 Analisa Kondisi Temperatur Gas Buang…………….… 4.5 Analisa Emisi Mesin LPG Generator Set berbahan bakar

CNG…………….…………….…………….…………….… 4.5.1 Analisa Emisi CO…………….…………….……………. 4.5.2 Analisa Emisi HC…………….…………….……………. 4.5.3 Analisa Emisi CO2…………….…………….………… 4.6 Analisa Data Komparasi Bahan Bakar…………….………… 4.6.1 Grafik Perbandingan Ne fungsi beban…………….…… 4.6.2 Grafik Perbandingan MEP fungsi beban…………….… 4.6.3 Grafik Perbandingan Torsi fungsi beban…………….… 4.6.4 Grafik Perbandingan SFC fungsi beban…………….…… 4.6.5 Grafik Perbandingan Efisiensi Thermal fungsi beban… 4.6.6 Grafik Perbandingan Efisiensi Volumetric fungsi beban

64 65 66 67 71 72 75 76 81 86 91 96 101 104 105 107 109 111 111 114 118 121 121 123 124 126 128 129

xiii

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan…………….…………….…………….………… 5.2 Saran…………….…………….…………….…………….… DAFTAR PUSTAKA

133 134

xiv

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Cara Kerja Motor Bensin 4 Langkah.................. Gambar 2.2 Siklus Otto Ideal……………………………….. Gambar 2.3 Siklus Otto Aktual beserta siklus bukaan katup.. Gambar 2.4 Diagram Bukaan Katup…………………………. Gambar 2.5 (a) Diagram P-θ Teorities.; …………………… (b) Diagram P-θ Aktual.……………………… Gambar 2.6 Hubungan Flame Speed terhadap Air-Fuel Ratio

(bahan bakar Gasoline) ………………………… Gambar 2.7 Data Pengujian Engine VCR dengan variasi

Compression Ratio dan bahan bakar (a) BTE ; (b) BSFC……………………………………………

Gambar 2.8 Karakterisasi Diagram P-θ terhadap Variasi Sudut Pengapian.................................. …………

Gambar 2.9 Pengaruh Spark Advance terhadap konsumsi bahan bakar.......................................................

Gambar 2.10 Pengaruh Kecepatan Pembakaran terhadap Perbandingan Equivalence Ratio.......... …………

Gambar 2.11 Distribusi Gaya pada Piston…………………….. Gambar 2.12 (a) Mekanisme terbentuknya polutan; (b) Emisi

gas buang vs FAR……………………………… Gambar 2.13 Sistem Kerja ECU……………………………… Gambar 2.14 Engine Control Unit Schematic………………… Gambar 3.1 Engine test……………………………………… Gambar 3.2 Pressure Regulator………………………………. Gambar 3.3 (a) Tang Ampere ; (b) Voltmeter……………….. Gambar 3.4 Tachometer……………………………………… Gambar 3.5 Exhaust Gas Analyzer........................................ Gambar 3.6 Thermocouple Digital.......................................... Gambar 3.7 Konfigurasi Pitot Tube dan Inclined Manometer θ

= 15o (a) Flow Measurement ; (b) Oil Level……………………………………………..

Gambar 3.8 Pressure Reducer................................................. Gambar 3.9 ECU-Programable………………………………

5 7 8 9 10 11

17

19

20

21

21 24

27 31 31 34 34 35 35 35 36

36 39 39

xv

Gambar 3.10 Tangki CNG…………………………………… Gambar 3.11 Blower Centrifugal……………………………… Gambar 3.12 Voltage Regulator……………………………… Gambar 3.13 Skema Penelitian……………………………… Gambar 3.14 Instalasi Saluran Udara…………………………. Gambar 3.15 Skematik modifikasi saluran supply bahan bakar

gas ; (b) Saluran supply bahan bakar gas yang dimodifikasi………………………………………

Gambar 3.16 Sistem Pengapian Magneto……………………… Gambar 3.17 (a) Flywhell yang belum dimodifikasi; (b)

Flywhell yang sudah dimodifikasi. …………….. Gambar 3.18 Tampilan Pengaturan Derajat Pengapian di

komputer………………………………………… Gambar 3.19 Flowchart Percobaan dengan Bahan Bakar

LPG……………………………………………… Gambar 3.20 (a) Flowchart Percobaan dengan Bahan Bakar

CNG.; (b) lanjutan……………………………… Gambar 4.1 Unjuk Kerja LPG Engine Generator set berbahan

bakar LPG Standard (a) Ne dan SFC; (b) MEP dan Torsi; (c) Eff. Thermal dan Eff. Volumetric.

Gambar 4.2 (a) Grafik Pengaruh Ne terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 12 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~160 mbar fungsi Beban.;..

(b) Grafik Pengaruh Ne terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~ 160 mbar fungsi Beban.;..

(c) Grafik Pengaruh Ne terhadap Variasi Sudut Pengapian 20o ~ 26o BTDC, 12 ~ 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 120 mbar fungsi Beban. …………………………………………

Gambar 4.3 (a) Grafik Pengaruh MEP terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 12 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 – 160 mbar fungsi Beban…

40 40 41 41 43

43 44

45

45

50

52

74

76

76

77

81

xvi

(b) Grafik Pengaruh MEP terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 – 160 mbar fungsi Beban.;…

(c) Grafik Pengaruh MEP terhadap Variasi Sudut Pengapian 20o ~ 26o BTDC, 12 ~ 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 120 mbar fungsi Beban……

Gambar 4.4 (a)Grafik Pengaruh Torsi terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 12 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~160 mbar fungsi Beban.;…

(b) Grafik Pengaruh Torsi terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~ 160 mbar fungsi Beban.;…

(c) Grafik Pengaruh Torsi terhadap Variasi Sudut Pengapian 20o ~ 26o BTDC, 12 ~ 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 120 mbar fungsi Beban. …………………………………………..

Gambar 4.5 (a) Grafik Pengaruh SFC terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 12 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~160 mbar fungsi Beban.;…

(b) Grafik Pengaruh SFC terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~ 160 mbar fungsi Beban.;…

(c) Grafik Pengaruh SFC terhadap Variasi Sudut Pengapian 20o ~ 26o BTDC, 12 ~ 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 120 mbar fungsi Beban. …………………………………………..

Gambar 4.6 (a)Grafik Pengaruh ηth terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 12 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~160 mbar fungsi Beban.;….

(b) Grafik Pengaruh ηth terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~ 160 mbar fungsi Beban.;…

(c) Grafik Pengaruh ηth terhadap Variasi Sudut Pengapian 20o ~ 26o BTDC, 12 ~ 24 V DC

81

82

86

87

87

91

92

92

96

97

xvii

Blower dan Variasi Tekanan 120 mbar fungsi Beban. …………………………………………..

Gambar 4.7 (a) Grafik Pengaruh ηV terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 12 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~160 mbar fungsi Beban.;….

(b) Grafik Pengaruh ηV terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~ 160 mbar fungsi Beban.;….

(c) Grafik Pengaruh ηV terhadap Variasi Sudut Pengapian 20o ~ 26o BTDC, 12 ~ 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 120 mbar fungsi Beban. …………………………………………..

Gambar 4.8 (a) Grafik Temperatur engine terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 12 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~160 mbar fungsi Beban.;….

(b) Grafik Temperatur engine terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~ 160 mbar fungsi Beban.;….

Gambar 4.9 (a) Grafik Temperatur oil terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 12 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~160 mbar fungsi Beban.;…..

(b) Grafik Temperatur oil terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~ 160 mbar fungsi Beban.;….

Gambar 4.10 (a) Grafik Temperatur exhaust terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 12 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~160 mbar fungsi Beban.; …………………………………………

(b) Grafik Temperatur exhaust terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~ 160 mbar fungsi Beban.; …………………………………………

Gambar 4.11 (a) Grafik Pengaruh CO terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 12 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~160 mbar fungsi Beban.;...

97

101

102

102

105

105

107

107

109

109

111

xviii

(b) Grafik Pengaruh CO terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~ 160 mbar fungsi Beban.; ……………………………………

(c) Grafik Pengaruh CO terhadap Variasi Sudut Pengapian 20o ~ 26o BTDC, 12 ~ 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 120 mbar fungsi Beban. ………………………………

Gambar 4.12 (a) Grafik Pengaruh HC terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 12 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~160 mbar fungsi Beban.;..

(b) Grafik Pengaruh HC terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~ 160 mbar fungsi Beban.;..

(c) Grafik Pengaruh HC terhadap Variasi Sudut Pengapian 20o ~ 26o BTDC, 12 ~ 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 120 mbar fungsi Beban. …………………………………………

Gambar 4.13 (a)Grafik Pengaruh CO2 terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 12 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~160 mbar fungsi Beban.;..

(b) Grafik Pengaruh CO2 terhadap Variasi Sudut Pengapian 20oBTDC, 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 40 ~ 160 mbar fungsi Beban.;..

(c) Grafik Pengaruh CO2 terhadap Variasi Sudut Pengapian 20o ~ 26o BTDC, 12 ~ 24 V DC Blower dan Variasi Tekanan 120 mbar fungsi Beban. …………………………………………

Gambar 4.14 (a) Grafik Perbandingan Ne dengan variasi voltage blower 12 V DC berbahan bakar CNG.; ………

(b) Grafik Perbandingan Ne dengan variasi voltage blower 24 V DC berbahan bakar CNG. ………

Gambar 4.15 (a)Grafik Perbandingan MEP dengan variasi voltage blower 12 V DC berbahan bakar CNG.;

111

112

114

115

115

118

118

119

121

122

123

xix

(b)Grafik Perbandingan MEP dengan variasi voltage blower 24 V DC berbahan bakar CNG.

Gambar 4.16 (a) Grafik Perbandingan Torsi dengan variasi voltage blower 12 V DC berbahan bakar CNG.;

(b)Grafik Perbandingan Torsi dengan variasi voltage blower 24 V DC berbahan bakar CNG.

Gambar 4.17 (a)Grafik Perbandingan SFC dengan variasi voltage blower 12 V DC berbahan bakar CNG.;

(b)Grafik Perbandingan SFC dengan variasi voltage blower 24 V DC berbahan bakar CNG.

Gambar 4.18 (a) Grafik Perbandingan efisiensi thermal dengan variasi voltage blower 12 V DC berbahan bakar CNG.; …………………………………………

(b) Grafik Perbandingan efisiensi thermal dengan variasi voltage blower 24 V DC berbahan bakar CNG. …………………………………………

Gambar 4.19 (a) Grafik Perbandingan efisiensi thermal dengan variasi voltage blower 12 V DC berbahan bakar CNG.; …………………………………………

(b) Grafik Perbandingan efisiensi thermal dengan variasi voltage blower 24 V DC berbahan bakar CNG. …………………………………………

123

124

125

126

126

128

128

129

130

xx

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Karakteristik bahan bakar LPG dan CNG ................. 15

Tabel 2.2 Ambang Batas Emisi Gas Buang .............................. 29

Tabel 3.1 Rancangan Eksperimen ............................................ 53

Tabel 4.1 Data pengujian LPG Standard (30 mbar) .................. 72

1

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kebutuhan energi listrik hampir menjadi kebutuhan primer bagi masyarakat modern di Indonesia. Hal ini dikarenakan energi listrik termasuk salah satu jenis energi yang mampu dirubah menjadi energi lain. Merupakan hal yang ironis dimana tingkat pertumbuhan ekonomi yang meningkat beberapa tahun belakangan ini namun ketersediaan energi listrik yang merupakan pendorong roda perekonomian dalam kondisi kritis. Disisi lain pemadaman listrik secara bergilir menyebabkan protes dari masyarakat dan kalangan pengusaha karena terganggunya aktivitas mereka. Untuk mengatasi itu beberapa industri, perkantoran maupun konsumen rumah tangga menyediakan pembangkitan energi listrik sendiri ataupun menyediakan generator cadangan sebagai backup sumber energi listrik.

Generator merupakan alat penghasil listrik dengan menggunakan Bahan Bakar Minyak (BBM) ataupun Bahan Bakar Gas (BBG) sebagai sumber energinya. selain itu semakin sedikitnya BBM serta keterbatasan subsidi BBM menjadikan pemerintah dan para Ilmuan meneliti berbagai jenis Generator Set (Genset) dan mengembangkan BBG sebagai bahan bakar alternatif. BBG tersebut dapat berupa LPG (Liquiefied Petrolium Gas), LNG (Liquified Natural Gas), ataupun CNG (Compressed Natural Gas). Setiap jenis BBG memiliki karakter yang berbeda sehingga perlu penyesuaian kondisi operasi Genset seperti pemanfaatan ECU-Programable untuk mevariasikan sistem pengapian dan penambahan Blower pada saluran inlet udara guna mengatur campuran bahan bakar dengan udara.

CNG merupakan bahan bakar yang berasal dari gas alam yang dapat dimanfaatkan. CNG dikemas dalam tabung yang terkompresi pada tekanan penyimpanan 200-248 bar. Proses pembakaran CNG jauh lebih ramah lingkungan. Secara ekonomis,

2

penggunaan CNG juga lebih murah jika dibandingkan dengan bahan bakar yang lain meskipun pada pelaksanaannya, pembuatan Stasiun bahan bakar CNG serta peralatan converter kitnya lebih mahal dari pada LPG. Harga bahan bakar LPG adalah $4.31/GGE (Gasoline Gallon Equivalent) sedangkan harga bahan bakar CNG adalah yaitu setara dengan $2.09/GGE.[10] Diperkirakan untuk pembuatan stasiun CNG yaitu $500K–$750K. sedangkan pembuatan stasiun LPG sekitar $45K–$175K.[10] untuk pembuatan converter kit CNG sehingga dapat di manfaatkan pada kendaraan tranportasi yaitu sekitar $7K–$15K sedangkan pembuatan convert kit penggunaan LPG sebagai alternatif bahan bakar sekitar $5K–$12K.[10] sehingga dalam pemanfaatan BBG sebagai bahan bakar alternatif dibutuhkan keseriusan pemerintah dan kerja sama dari berbagai pihak agar mampu menekan biaya distribusi BBG.

Penggunaan bahan bakar CNG pada kendaraan telah diaplikasikan sejak era 1980-an. Namun, penggunaan CNG pada SI Engine menyebabkan penurunan daya dan akselerasi mesin yang cukup signifikan. Selain itu belum banyak desain SI Engine yang sudah disesuaikan dengan karakteristik CNG. Hal tersebut jelas akan berpengaruh terhadap performa engine. Oleh karena itu, penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk mengoptimasi daya engine berbahan bakar CNG melalui pengaturan campuran bahan bakar dan setingan waktu pengapian yang tepat. Pengaturan waktu pengapian yang mungkin dilakukan adalah memajukan atau memundurkan sudut pengapain sebesar 10 - 30o BTDC menggunakan Engine Control Unit (ECU) interface program.

Sehingga pengaturan sudut pengapian melalui ECU - Programable ini diharapkan agar mendapatkan nilai derajat pengapian dan tekanan masuk bahan bakar yang menghasilkan unjuk kerja engine yang optimum serta nilai unjuk kerja yang dinyatakan dalam daya, torsi, efisiensi thermal, SFC, BMEP, AFR, temperatur engine, temperatur gas buang, temperatur minyak pelumas, dan emisi pada penggunaan bahan bakar CNG

3

pada engine. Hasil penelitian ini tentunya akan menjadi rekomendasi dalam pemamfaatan bahan bakar CNG untuk meminimalisir kekurangan-kekurangan yang ada dalam penggunaan bahan bakar standart LPG Engine-Generator Set.

1.2 Perumusan Masalah

Permasalahan utama yang ingin dijawab melalui penelitian ini antara lain :

1. Bagaimana Kondisi sudut pengapian, tekanan bahan bakar dan AFR yang sesuai pada LPG Genset Berbahan Bakar CNG

2. Bagaimana perubahan kondisi operasi engine setelah dilakukan modifikasi Sudut Pengapian, dan penambahan Blower

1.3 Batasan Masalah

Batasan masalah yang digunakan agar penelitian dapat berjalan secara fokus serta dapat mencapai tujuan yang diinginkan antara lain: 1. Modifikasi yang dilakukan pada LPG engine Genset antara

lain perubahan sistem pengapian menjadi ECU-Programable, bahan bakar diganti CNG, dan diberikan blower udara.

2. Temperatur bahan bakar CNG dijaga 30oC 3. Tidak terjadi kebocoran pada saluran bahan bakar dan udara 4. Properties baban bakar diasumsikan konstan 5. Kondisi udara dalam keadaan standart.

1.4 Tujuan Penelitian

Tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini adalah : 1. Untuk mengetahui Kondisi sudut pengapian, tekanan bahan

bakar dan AFR yang sesuai pada LPG Genset Berbahan Bakar CNG.

4

2. Untuk mengetahui bagaimana perubahan kondisi operasi engine setelah dilakukan modifikasi Sudut Pengapian, dan penambahan Blower.

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Memberikan analisa yang tepat terhadap unjuk kerja pada penggunaan bahan bakar yang berbeda pada LPG engine-generator set.

2. Sebagai bahan referensi bagi penelitian sejenisnya dalam rangka pengembangan pengetahuan tentang optimasi kinerja LPG engine-generator set dengan menggunakan bahan bakar CNG.

3. Mengembangkan pengetahuan dan pemikiran untuk penelitian lanjutan dalam bidang teknologi bahan bakar untuk meningkatkan taraf hidup masyarakat.

4. Penelitian ini dapat dikembangkan untuk penelitian lanjutan dalam pengembangan CNG sebagai bahan bakar pada motor pembakaran dalam.

5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

2.1 Siklus Motor Otto

LPG engine-genset merupakan salah satu tipe dari internal combustion (IC) engine dengan bahan bakar berupa gas dengan memanfaatkan mekanisme Spark Ignition (SI) sebagai sumber panas. LPG Engine generator set ini bekerja selayaknya siklus Otto, energi dikonversi secara tidak langsung, dimana energi kimia dari bahan bakar dirubah melalui proses pembakaran menjadi energi termal yang kemudian dirubah lagi menjadi energi mekanik.

Pada motor bensin empat langkah, piston (torak). Titik terjauh (atas) yang dapat dicapai oleh piston dinamakan Titik Mati Atas (TMA), sedangkan titik terdekat (bawah) disebut Titik Mati Bawah (TMB). pada gambar 2.1 mengilustrasikan bahwa four stroke – Otto engine melakukan empat gerakan piston dalam satu siklus kerja yaitu intake, compression, power, exhaust.

Gambar 2.1 Cara Kerja Motor Bensin 4 Langkah

6

Cara kerja motor bensin pada gambar 2.1 akan dijelaskan sebagai berikut :

a. Langkah hisap (intake)

Pada langkah hisap, piston bergerak dari TMA menuju TMB, dan katup hisap membuka sedangkan katup buang menutup, karena piston bergerak ke bawah, maka di dalam ruang silinder akan terjadi kevakuman sehingga campuran udara dan bahan bakar akan terhisap dan masuk ke dalam silinder.

b. Langkah kompresi (compression)

Pada langkah ini piston bergerak dari TMB menuju TMA, kondisi katup hisap dan katup buang tertutup semuanya. Karena piston bergerak ke atas, maka campuran udara dan bahan bakar yang berada didalam silinder tertekan. Dengan dikompresi, maka diharapkan tekanan dan temperatur udara dan bahan bakar meningkat, sehingga akan mudah terbakar dan menghasilkan langkah usaha.

c. Langkah usaha (power)

Pada langkah ini mesin menghasilkan tenaga untuk menggerakkan engine. Sesaat sebelum piston sampai di TMA pada saat langkah kompresi, busi memercikkan bunga api pada campuran udara dan bahan bakar. Sehingga bahan bakar akan terbakar dan menimbulkan ledakan yang menyebabkan tekanan gas pembakaran meningkat sehingga dapat mendorong piston kebawah.

d. Langkah buang (exhaust)

Setelah akhir dari langkah usaha, piston bergerak dari TMB menuju TMA, pada saat ini katup buanglah yang membuka sedangkan katup hisap dalam keadaan tertutup. Karena piston

7

bergerak ke atas, maka gas hasil pembakaran di dalam silinder akan terdorong dan ke luar melalui katup buang,

Agar lebih lengkap pemahaman teori tentang sistem pembakaran Otto, maka perlu dipahami juga siklus yang terbentuk saat engine beroperasi.

Gambar 2.2 Siklus Otto Ideal [3]

Namun saat mesin dioperasikan, dapat disadari bahma mesin tidak mampu beroperasi dalam kondisi siklus yang ideal dimana pada siklus ideal, engine beroperasi pada volume konstan. Gambar 2.3 mengilustrasikan siklus Otto aktual yang terjadi saat mesin dioperasikan.

Berikut merupakan penjelasan tiap proses siklus Ideal 0-1 : Pemasukan Bahan Bakar

pada Tekanan konstan 1-2 : Kompresi Isentropis 2-3 : Pemasukan kalor pada

Volume konstan 3-4 : Ekspansi Isentropis 4-1 : Pembuangan kalor pada

Volume konstan 1-0 : Pembuangan Gas Buang

pada Tekanan konstan

8

Gambar 2.3 Siklus Otto Aktual beserta siklus bukaan katup[3]

Pada gambar 2.3 memperlihatkan penyimpangan dari siklus ideal, penyimpangan tersebut diakibatkan oleh beberapa hal. Antara lain: fluida kerja bukanlah udara yang dapat dianggap sebagai gas ideal dengan kalor spesifik yang konstan selama proses siklus berlangsung, pada motor bakar yang sebenarnya, pada waktu torak berada di TMA tidak terdapat proses pemasukan kalor seperti pada siklus udara. Pemasukan kalor disebabkan oleh proses pembakaran, proses pembakaran memerlukan waktu untuk memulai pembakaran. Pembakaran berlangsung pada volume ruang bakar yang berubah-ubah karena gerakan piston. Jadi pembakaran tidak dapat berlangsung pada volume konstan, selain itu juga terdapat kerugian energi kalor yang dibawa oleh gas buang dari dalam silinder ke atmosfir

9

sekitarnya. Energi tersebut tidak dapat dimanfaatkan untuk melakukan kerja mekanik, dan berbagai faktor lain

Selanjutnya terdapat teori tentang mekanisme dan diagram bukaan katup pada siklus Otto. Seperti yang sering kita ketahui, gerakan piston dalam silinder juga sangat dipengaruhi oleh kerja mekanisme katup yang mengatur pembukaan dan penutupan katup. Mekanisme pada gambar 2.4 dimulai dari digerakkannya katup buang dan hisap oleh sebuah poros nok (camshaft) yang putarannya setengah dari putaran poros engkol (crankshaft). Pada saat piston bergerak turun dari Top Dead Center (TDC) menuju Buttom Dead Center (BDC) dan bila saat itu katup hisap dibuka maka terjadilah langkah hisap, selanjutnya ketika piston bergerak keatas dari BDC menuju TDC kedua katup ditutup terjadilah pemampatan / kompresi udara yang telah masuk ke dalam silinder, disebut langkah kompresi, berikutnya diakhir langkah kompresi busi memercikkan api untuk pembakaran dan piston terdorong dengan kuat dari TDC menuju BDC, langkah ini disebut langkah usaha, yang terakhir setelah pembakaran piston kembali bergerak dari BDC menuju TDC dan katup buang dibuka terjadilah langkah pembuangan.

Gambar 2.4 Diagram Bukaan Katup

10

Kenyataan perancang mekanisme katup membuka katup hisap sebelum TDC dan menutupnya setelah BDC dan pembukaan katup buang sebelum BDC dan penutupannya setelah TDC, hal ini menyebabkan derajat pembukaan katup-katup lebih dari 180o dan pada saat awal katup hisap terbuka katup buang masih terbuka (overlap).

2.2 Pembakaran Pada Otto Engine

Proses pembakaran pada Otto Engine merupakan salah satu pokok bahasan yang sangat komplek dan perlu beberapa teori dasar untuk memahaminya, seperti diagram tekanan – derajat engkol, serta reaksi kimia proses pembakaran. berikut akan dibahas beberapa teori penunjang tersebut

2.2.1 Diagram Tekanan – Derajat Engkol Diawal memahami pembakaran pada motor Otto, perlu

diketahui prinsip diagram tekanan – derajat engkol (θ) agar pembahasan suatu teori dapat dianalisa secara kompleks dan faktual. Gambar 2.5 mengilustrasikan diagram tekanan – derajat engkol (θ).

(a)

a-b : Compression b-c : Combustion c-d : Expansion Spark

11

(b) Gambar 2.5 (a) Diagram P-θ Teorities.; (b) Diagram P-θ Aktual.

Pada gambar 2.5 (b) terlihat bahwa titik A adalah titik Percikan bunga api (misalkan 20o BTDC), maka titik B adalah titik dimana kenaikan tekanan dapat dideteksi (misalnya 8o BTDC), dan titik C adalah titik puncak tekanan yang terjadi. Namun pada gambar 2.5 (a) dapat disadari bahwa tidak terdapat ignition lag dan propagation of flame dan digantikan dengan proses combustion. Hal ini dikarenakan pada pengoperasian aktual terdapat jedah waktu percikan bunga api dan perambatan api keseluruh ruang bakar yang pada akhirnya mengakibatkan terjadinya kenaikan tekanan saat langkah kompresi. Selain itu pada gambar 2.5 (a) juga terlihat proses expansion yang pada pengoperasian aktual dinamakan afterburning. Hal ini di karenakan pada proses afterburning tidak hanya terjadi proses expansion, melainkan juga terjadi overlap valve, juga terjadi proses bilas pada sisa gas bahan bakar. Secara umum, tahapan pembakaran dapat dibagi menjadi dua yaitu :

1. Tahapan pertama, disebut ignition lag merupakan fase persiapan yang mana terjadi perkembangan dari inti api.

A-B : Ignition Lag B-C : Propagation of Flame C-D : Afterburning

12

Tahapan ini tergantung sepenuhnya pada sifat alami bahan bakar seperti: temperatur, tekanan, sifat gas buang, dan laju percepatan oksidasi dalam ruang bakar. Ignition lag terjadi dari A-B pada saat kompresi berlangsung sehingga garis A-B disebut garis kompresi.

2. Tahapan kedua disebut propagation of flame dimana terjadi perubahan temperatur, tekanan, dan sifat bahan bakar akibat oksidasi. Perubahan tekanan terjadi disepanjang garis pembakaran (B-C). Pada grafik di atas, titik C menunjukan selesainya perjalanan api. Namun, pembebasan panas dari bahan bakar masih berlangsung meskipun tidak memberikan kenaikan tekanan didalam silinder dikarenakan pada saat itu sudah terjadi proses ekspansi. Oleh karena itu, tahapan ini dikenal dengan istilah pembakaran lanjut (after burning).

2.2.2 Reaksi Kimia Proses Pembakaran Pada motor Otto terjadi konversi energi, dari energi panas

kedalam tekanan lalu diteruskan menjadi energi mekanik yang berupa gerak reciprocating piston. Energi panas tersebut diperoleh dari pembakaran sejumlah bahan bakar yang telah bercampur dengan udara yang diawali oleh percikan bunga api dari busi (spark plug). Reaksi pembakaran teoritis adalah pembakaran yang sempurna serta semua komponen reaktan habis terbakar dan hanya menghasilkan produk gas CO2, N2 dan H2O. Berdasarkan teori pembakaran, bahan bakar hidrokarbon akan dioksidasi secara menyeluruh menjadi karbon dioksida (CO2) dan uap air (H2O). Kondisi pembakaran yang demikian disebut sebagai pembakaran stoikiometri dan persamaan reaksi kimia dapat di rincikan sebagai berikut :

CxHy + a(O2 + 3,76N2) → bCO2 + cH2O + dN2……… (2.1)

Stoikiometri massa yang didasarkan pada rasio udara dan bahan bakar (air fuel ratio) untuk bahan bakar hidrokarbon (CxHy) adalah sebagai berikut :

13

( )( ) HC

NO

fuelii

airii

fuel

air

s MyMx

My

xMy

x

Mn

Mn

m

m

F

A

+

++

+===

∑∑ 22 4

76,34

….... (2.2)

Pada bahan bakar bensin, perbandingan campuran udara dan bahan bakar stoikiometri 14,7 : 1. Sedangkan pada bahan bakar gas (Compressed Natural Gas) perbandingan campuran udara dan bahan bakar stoikiometri adalah 17 : 1. Faktor udara ekses (excess-air factor) λ mengindikasikan seberapa jauh perbandingan udara dan bahan bakar aktual dengan perbandingan udara dan bahan bakar teoritis. λ = 1 menunjukkan bahwa mesin berjalan dengan perbandingan udara dan bahan bakar stoikiometri. Jika λ < 1 menunjukkan mesin tersebut mengandung lebih banyak bahan bakar (campuran kaya), sedangkan jika λ > 1 (dibawah batasan λ = 1,6) menunjukkan mesin tersebut mengalami kelebihan udara (campuran miskin).

2.3 Jenis Bahan Bakar

Telah terdapat berbagai macam penelitian tentang jenis

bahan bakar yang mampu digunakan sebagai bahan bakar alternatif pada Spark Ignition Engine. Diantaranya adalah bahan bakar Compressed Natural Gas (CNG) dan Liquified Petrolium Gas (LPG). Kedua jenis Bahan bakar ini memiliki karakteristik yang berbeda dengan efek daya dan hasil pembakaran yang berbeda pula.

2.3.1 Bahan Bakar LPG

LPG (liquefied petroleum gas) merupakan gas hidrokarbon yang dihasilkan dari penyulingan minyak mentah dari komponen gas alam. Kandungan utama LPG adalah propana (C3H8) dan butana (C4H10).[4] Dalam pengemasannya, LPG disimpan dalam bentuk tangki dengan tekanan diantara 760 ~

14

1030 kPa. LPG masuk ke engine dikontrol dengan menggunakan pressure regulator, dimana LPG mengalir dan bercampur dengan udara sebelum masuk kedalam ruang bakar kemudian terbakar dan menghasilkan energi kalor yang dimanfaatkan dalam beroperasinya IC Engines.

LPG bisa digunakan sebagai bahan bakar pada IC

Engines, dimana nilai oktan LPG sebesar 105. [10] Pemakaian bahan bakar LPG memiliki beberapa keunggulan diantaranya: pemakaian bahan bakar LPG bisa mengurangi kandungan NOx dan hidrokarbon pada gas buang, pemakaian LPG menunjukkan penggantian oli motor memiliki periode yang lebih lama, Mesin dengan bahan bakar LPG bisa di start dengan mudah walaupun temperatur udara yang rendah -7oC. Konsumsi bahan bakar LPG per satuan volume lebih rendah daripada bensin. Distribusi gas pada tiap-tiap silinder lebih merata sehingga percepatan mesin lebih baik dan putaran stasioner lebih halus. Ruang bakar lebih bersih sehingga umur mesin meningkat. Kandungan karbon LPG lebih rendah dibandingkan bensin atau diesel sehingga menghasilkan CO2 yang lebih rendah. [15]

Dari beberapa keunggulan diatas, LPG memiliki beberapa

kelemahan. Mesin berbahan bakar LPG menghasilkan daya yang lebih rendah dibandingkan dengan mesin berbahan bakar bensin. Penurunan daya yang terjadi sekitar 5% - 10% [5]. Sistem pengapian harus lebih besar sehingga penyalaan mesin menjadi lebih berat. Perlu penyesuaian saat pengapian dan kualitas sistem pengapian. Sistem bahan bakar harus dibuat lebih kuat daripada sistem bensin.[7]

2.3.2 Bahan Bakar CNG

Bahan bakar gas yang digunakan adalah CNG yang sebagian besar terdiri dari methane (CH4) kurang lebih 80-90 % dan sisanya berupa hidrokarbon lain, karbondioksida, dan air.

15

Komposisi ini berbeda-beda tergantung pada sumbernya yang mana hal ini mempengaruhi kondisi stoikiometrinya. Natural gas memililki beberapa kekurangan, yakni, fasenya dalam temperatur ruangan sehingga akan menyulitkan dalam hal penyimpanan dan mobilitas. Selain itu, natural gas memiliki energi persatuan volume (energy density) yang lebih kecil dibandingkan solar, methanol, bensin, atau bahan bakar hidrokarbon cair lainnya.

Compressed Natural Gas (CNG) merupakan gas alam yang mengalami kompresi agar dapat digunakan sebagai bahan bakar pada kendaraan. CNG memiliki komposisi yang sebagian besar berupa metana dan beberapa senyawa hidrokarbon lain, seperti, propana, ethana, dan butana. Komposisi CNG biasanya juga diperkaya dengan gas karbondioksida, hidrogen sulfid, nitrogen, helium, dan uap air.[9] Berikut ini adalah perbandingan properties antara LPG dan CNG.

Tabel 2.1 Karakteristik bahan bakar LPG dan CNG

Source: International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering [6], [16]

Properties/Fuel LPG CNG

Chemical Structure 60% C3H8 + 40% C4H10 CH4

Stociometric Ratio (Kg/Kg) 15,6 17,2

Octane/Cetane Number 100 120

Auto Ignition Temp. (K) 410-580 540

Gross Heating Value (BTU/ft3)[17] 2821,6 1025

Gross Heating Value (MJ/Kg)[17] 29.923 56,544

Density @ 25oC (Kg/m3)[16] 1,5 0,6

Minimum Ignition Energy (MJ) 0,3 0,26

Flame Propagation Speed (m/s) 0,48 0,43

Adiabatic Flame Temperature (K) 2810 2266

Compression Ratio 8 to 12 9 to 12

16

2.4 Karakteristik Bahan Bakar terhadap Performa Engine

Berdasarkan penelitian Norazlan [12], menyatakan bahwa pengaruh utama dari karakteristik bahan bakar LPG terhadap perfoma engine adalah Calorific Value (Nilai Kalor) dari campuran bahan bakar dengan udara, Flame Stability. Sedangkan penelitian dari Edy Prasetyo [13], beberapa parameter yang berpengaruh pada LPG engine generator set diantaranya: displaced volume dari engine, nilai oktan dari bahan bakar, kecepatan menyala (flame speed) dari campuran bahan bakar dengan udara, periode auto-ignition delay, rasio kompresi dari engine (berhubungan dengan knock tedency), dan waktu pengapian (spark timing).

2.4.1 Volume Silinder Engine

Jumlah campuran udara dan bahan bakar yang masuk ke

ruang bakar di dalam silinder ditentukan oleh displaced volume dari engine, tekanan dan temperatur bahan bakar. Sehingga untuk menjaga nilai daya dari engine saat bahan bakar LPG yang diganti dengan CNG, maka jumlah bahan bakar harus atur dengan menurunkan tekanan dan temperatur operasi secara signifikan. Hal ini bisa dicapai misalkan dengan memberi pressure regulator pada saluran bahan bakar untuk mengontrol tekanan campuran udara-bahan bakar serta memberikan heat exchanger bila dibutuhkan untuk mengontrol temperatur operasi engine.

2.4.2 Flame Speed

Kecepatan terbakar (flame speed) tergantung pada komposisi kimia dari bahan bakar, jumlah dari udara yang digunakan untuk proses pembakaran, dimana karekteristiknya ditentukan oleh beberapa parameter diantaranya: tubulensi, putaran engine, rasio kompresi, inlet tekanan, inlet temperatur dan

17

fuel-air ratio. Campuran bahan bakar yang sesuai stochiometry dan karakteristik flame speed yang baik akan memberikan keandalan pada keseluruhan proses pembakaran. flame speed memiliki pengaruh yang signifikan pada performa dari LPG engine dan tingkat polusi dari gas buangnya yang pada akhirnya flame speed ini mempengaruhi performa engine. Gambar 2.6 menunjukan hubungan flame speed dengan AFR. [14]

Gambar 2.6 Hubungan Flame Speed terhadap Air-Fuel Ratio

(bahan bakar Gasoline)[14]

Pada gambar 2.6 terlihat bahwa hubungan flame speed dengan AFR yang berbentuk parabola tertutup. Selanjutnya terlihat bahwa flame speed tertinggi berada pada kondisi AFR kaya akan bahan bakar. Hal ini karena semakin banyak bahan bakar maka semakin besar perambaran api yang bisa terjadi. Namun pada saat AFR terlalu kaya maka api tidak akan terbentuk akibat kekurangan oksigen.

2.4.3 Calorific Value (Nilai Kalor) Calorific Value merupakan jumlah panas yang dihasilkan

oleh proses pembakaran 1kg bahan bakar. Dalam proses pembakaran pada umumnya, uap air akan terbentuk dari gas hasil

18

pembakaran. Dengan demikian nilai kalor pembakaran akan lebih kecil bila H2O yang terbentuk berupa uap serta nilai kalor pembakaran akan menjadi lebih besar bila H2O yang terbentuk berupa cairan. Selanjutnya nilai kalor ini dibedakan menjadi dua yaitu Higher Heating Value (HHV) yaitu Nilai Kalor dari proses pembakaran bila didalam gas hasil pembakaran terdapat H2O berbentuk cairan dan Lower Heating Value (LHV) yaitu Nilai Kalor dari proses pembakaran bila didalam gas hasil pembakaran terdapat H2O berbentuk gas.

Nilai kalor dari campuran bahan bakar dan udara secara stoichiometric (HVm) bisa ditentukan melalui perhitungan nilai kalor secara volumetric (kJ/Nm3). Nilai kalor ini tergantung besarnya konsentrasi dari komponen bahan bakar yang mampu terbakar. LHV (Lower Heating value) bahan bakar CNG sebesar 49 MJ/kg. selain itu pada penelitian PM Darade [6] memaparkan nilai kalor CNG jauh lebih besar jika dibandingkan dengan nilai kalor LPG, yaitu LHV LPG sebesar 45 MJ/kg. Secara teori nilai dari energi mengalami kenaikan ketika bahan bakar LPG Generator Set digantikan oleh CNG.

Pada penelitian P.M Darade [6] memaparkan bahwa besarnya pengaruh HHV terhadap Brake Spesific Fuel Consumption (BSFC) dan Brake Thermal Efficiency (BTE). Seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.7(a) dan gambar 2.7(b)

19

(a) (b) Gambar 2.7 Data Pengujian Engine VCR dengan variasi

Compression Ratio dan bahan bakar (a) BTE (b) BSFC. [6]

Semakin besar LHV dari bahan bakar akan meningkatkan BTE pada compression ratio yang sama, untuk compression ratio 6 dan 8, Selain itu juga semakin besar LHV dari bahan bakar akan menurunkan BSFC dari mesin seiring dengan ditingkatkannya Compression Ratio.

2.4.4 Spark Timing Waktu pengapian merupakan salah satu variable yang

dapat dijadikan parameter baik tidaknya suatu engine beroperasi. Seperti yang dipaparkan pada subbab sebelumnya bahwa pada saat pengapian, terjadi dua buah proses aktual yaitu ignition lag dan propagation of flame. Dua proses ini dipengaruhi oleh karakteristik dan properties dari jenis bahan bakar. Dengan memperhatikan konsentrasi hidrogen pada bahan bakar yang digunakan, maka perlu dimodifikasi pula waktu pengapian (spark timing) untuk menghasilkan performa yang bagus dari engine. Namun pengaturan waktu pengapian juga perlu mempertimbangkan seberapa besar pemajuan derajat pengapiannya. Ujjwal K Saha menegaskan bahwa terdapat tiga reaksi saat diatur waktu pengapiannya, yaitu normal,

20

overadvanced, dan retarded. Gambar 2.8 Menunjukkan diagram P-θ bahwa pengaruh sudut pengapian terhadap performa engine.

Gambar 2.8 Karakterisasi Diagram P-θ terhadap Variasi Sudut Pengapian [14]

Pada gambar 2.8 terlihat bahwa jika suatu engine beroperasi dengan sudut pengapian normal akan membentuk kurva grafik P-θ aktual seperti yang dijelaskan pada subbab sebelumnya. Sedangkan saat engine dioperasikan dengan sudut pengapian terlalu maju (overadvanced), maka tekanan pembakaran akan melawan gerakan piston ke atas (langkah kompresi) sehingga terjadi kenaikan tekanan kompresi namun jika terlalu maju maka akan terjadi knocking yang berakibat kerusakan fatal pada komponen inti dari engine.

Selain itu saat engine disimulasikan ulang dengan sudut pengapian yang terlalu mundur (retarded) maka tekanan pembakaran akan sangat kecil dibandingkan dengan kondisi normal (power drop). Hal ini menuntut operator untuk menentukan kondisi pengaturan sudut pengapian yang pas saat engine dioperasikan. Ashish M A [1] Memaparkan bahwa perubahan Spark Timing akan mempengaruhi besarnya konsumsi bahan bakar yang terjadi. Selanjutnya banyaknya konsumsi bahan

21

bakar ini akan mempengaruhi besarnya daya yang digunakan. Seperti yang terlihat pada gambar 2.9

Gambar 2.9 Pengaruh Spark Advance terhadap konsumsi

bahan bakar [1]

Dari data yang terlihat pada gambar 2.9 menunjukkan semakin sudut pengapiannya dimajukan (dari 5o BTDC dirubah hingga 27o BTDC) maka akan mengakibatkan semakin sedikit bahan bakar yang dikonsumsi. Selain itu pada penelitian Heywood [9], memaparkan pengaruh burning velocity dari berbagai macam jenis bahan bakar terhadap equivalent ratio. Seperti yang diilutrasikan pada gambar 2.10

Gambar 2.10 Pengaruh Kecepatan Pembakaran terhadap

Perbandingan Equivalence Ratio.[9]

22

Dari data pada gambar 2.10 terlihat bahwa burning velocity berpengaruh terhadap kondisi campuran bahan bakar dan udara yang dapat terbakar yang optimal. Sehingga informasi ini dapat dihubungkan dengan penentuan spark timing yang baik. Walaupun demikian, perlu juga untuk memperhitungkan bahwa spark timing juga tergantung dari variabel lain seperti perubahan beban dan putaran engine. Secara teori busi menyala ketika piston pada posisi paling tinggi yang diperbolehkan dan ketika campuran bahan bakar udara telah terkompresi penuh sehingga tenaga langkah piston bisa terjadi sehingga menghasilkan daya engine yang maksimum.

Sudut pengapian saat engine mengunakan bahan bakar CNG adalah dimajukan jika dibandingkan terhadap waktu pengapian pada engine berbahan bakar LPG. Pada gasoline yaitu diantara 10 ~ 40o sebelum TMA. [9] Perlambatan waktu pengapian perlu dilakukan saat engine menggunakan bahan bakar CNG untuk efisiensi yang lebih tinggi. Waktu pengapian diperlambat akan meningkatkan rasio kompresi maka menghasilkan daya yang tinggi pula.

2.5 Parameter Unjuk Kerja Motor Otto

Ada beberapa parameter yang digunakan untuk mengevaluasi unjuk kerja dari Ignition Spark Engine antara lain: 1. Daya Efektif (Ne). 2. Torsi (Torque). 3. Tekanan Efektif Rata-rata (MEP, Mean Effective Pressure). 4. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC, Specific Fuel

Consumption) 5. Efisiensi Thermis. 6. Efisiensi Volumetris

23

2.5.1 Daya Efektif (Ne)

Daya efektif adalah ukuran suatu engine untuk menghasilkan kerja yang optimal atau tidaknya suatu mesin. Pengukur daya pada sebuah engine-generator set melibatkan pengukuran tegangan listrik (V) dan arus listrik (I) yang keluar dari generator. Pengukuran daya dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut :

�� = �� [��] ………………………….. (2.3) Dengan : Ne = Daya poros (Watt) V = Tegangan listrik (Volt) I = Arus listrik (Ampere) Cos θ = Faktor daya bernilai 1 (konstan) karena hambatan

(R) pada generator yang terjadi merupakan hambatan resistensi bukan kapasitif.

ηmg = Efisiensi mekanis generator nilainya 0,95 ηt = Efisiensi transmisi, jika memakai belt nilainya 0,9 ;

jika tidak memakai belt nilainya 1.

2.5.2 Mean Effective Pressure (MEP)

Tekanan efektif rata-rata (Mean Effective Pressure) didefinisikan sebagai tekanan rata -rata teoritis yang bekerja sepanjang volume langkah piston sehingga menghasilkan daya. Gaya yang bekerja mendorong piston kebawah : � = ��

24

Gambar 2.11 Distribusi Gaya pada Piston

Kerja selama piston bergerak dari TMA ke TMB : � = �� =��. �� x 2 Daya motor (Kerja per satuan waktu) : Jika poros engkol berputar n rps, maka dalam 1 sekon akan terjadi

z

n siklus kerja.

dimana

sekon

siklus

z

n ; z = 1 (2 langkah), 2 (4 langkah)

Daya tiap silinder : z

nLAN

⋅⋅⋅= Pr

Daya motor sejumlah “i” silinder : z

inLAN

⋅⋅⋅⋅= Pr Jika N =

Watt dan Pr = bmep, maka :

�� = !"#$"%&"'"(")"*!!! [KPa]…………….. (2.4) Dimana : Ne = daya motor (Watt) A = Luas penampang torak (m2) L = Panjang langkah torak (m) i = Jumlah silinder

Vc

Vs

TMA

TMB

r

25

n = Putaran mesin (rpm) z = jumlah putaran dalam satu siklus 1 ( motor 2 langkah) atau 2 ( motor 4 langkah )

2.5.3 Torsi Torsi merupakan ukuran kemampuan motor untuk menghasilkan kerja, Poros dari rotor dihubungkan dengan poros dari engine yang akan diuji, torsi dihitung dengan persamaan berikut :

. = !�/0123 [�4]…………………………….(2.5) Dengan : τ = momen torsi (Nm) n = putaran mesin (rpm) Ne = daya poros efektif (Watt)

2.5.4 Spesific Fuel Consumtion (SFC) Konsumsi bahan bakar spesifik didefinisikan sebagai jumlah

bahan bakar yang dipakai untuk menghasilkan satu satuan daya dalam jangka waktu satu jam. SFC dapat dirumuskan sebagai berikut:

5�6 = 7 !!�89 ::/0 ;?@@.A?8B…………..(2.6) Dengan : ṁbb = momen torsi (Kg/s) Ne = daya poros efektif (Watt)

2.5.5 Effisiensi Thermal (ηth) Efisiensi thermal merupakan ukuran dan besarnya energi panas yang terkandung dalam bahan bakar yang dapat dimanfaatkan untuk menjadi daya yang berguna. Secara teoritis dapat dirumuskan sebagai berikut :

26

C@D =E�F��G�H�IGF�JKLIℎ�NIOH�J

�J�PKIQ�J�N �100%

UVW = XYṁ[[.\]^[[._`a b_``[%]…………………(2.7) Dengan : LHV = Nilai kalor bahan bakar (MJ/Kg) ṁbb = Laju aliran masa bahan bakar (Kg/s) Ne = Daya Efektif (Watt) 2.5.6 Efisiensi Volumetris (ηv) Efisiensi Volumetris (ηV) mengungkapkan seberapa banyak campuran udara-bahan bakar masuk ke dalam silinder yang mampu dihisap oleh desain operasional ruang bakar. Campuran udara-bahan bakar yang memasuki silinder ketika langkah hisap inilah yang akan menghasilkan daya. Efisiensi volumetris secara teoritis dapat dirumuskan sebagai berikut :

Uc = a`.dṁefghgiefghgjklYV.m.\.k b_``[%] …………(2.8) Dengan : ṁudara = Laju aliran masa udara (Kg/s) ρudara inlet = Densitas bahan bakar (Kg/m

3) A = Luas Penampang Piston (m2) L = Panjang langkah piston (m) n = Putaran (Rpm) Z = Jumlah putaran dalam satu siklus, 1 (motor 2

langkah) atau 2 (motor 4 langkah) 2.6 Polusi Udara

Polusi udara adalah masuknya bahan pencemar kedalam udara sehingga mengakibatkan kualitas udara menurun dan lingkungan tidak berfungsi sebagaimana mestinya Polutan dapat dibedakan menjadi dua, yaitu polutan primer dan polutan sekunder. Polutan primer adalah polutan dimana keberadaannya di udara langsung dari sumbernya.

27

(a)

(b) Gambar 2.12 (a) Mekanisme terbentuknya polutan; (b) Emisi

gas buang vs FAR

28

Dari kedua jenis polutan diatas yang sering jadi perhatian adalah polutan primer, meskipun polutan sekunder tidak bisa dianggap ringan. Berikut ini adalah penjelasan tentang beberapa polutan primer.

2.6.1 Hidrokarbon (HC)

Hidrokarbon terjadi dari bahan bakar yang tidak terbakar langsung keluar menjadi gas mentah, dan dari bahan bakar terpecah menjadi reaksi panas berubah menjadi gugusan HC yang lain. penyebab terjadinya hidrokarbon (HC) adalah karena tidak mampu melakukan pembakaran, penyimpanan dan pelepasan bahan bakar dengan lapisan minyak, penyalaan yang tertunda, disekitar dinding ruang bakar yang bertemperatur rendah dan karena adanya overlap valve, sehingga HC dapat keluar saluran pembuangan.

2.6.2 Karbon Monoksida (CO)

Gas karbon monoksida (CO) berasal dari pembakaran tak sempurna bahan bakar dalam motor bakar. Gas CO tidak berwarna dan tidak berbau. Gas CO bersifat racun, dapat menimbulkan rasa sakit pada mata, saluran pernafasan, dan paru-paru Gas CO memiliki sifat kereaktifan terhadap hemoglobin dalam darah yang mengakibatkan darah kekurangan oksigen. Pembakaran yang normal pada motor bensin akan membakar semua hidrogen dan oksigen yang terkandung dalam campuran udara dan bahan bakar. Akan tetapi dalam pembakaran yang tidak normal, misalnya pembakaran yang kekurangan oksigen, akan mengakibatkan CO yang berada didalam bahan bakar keluar bersama-sama dengan gas buang.

2.6.3 Karbon Dioksida (CO2)

Karbon dioksida (CO2) adalah gas cair tidak berwarna, tidak berbau, tidak mudah terbakar , dan sedikit asam. CO2 lebih berat

29

daripada udara dan larut dalam air. Karbon dioksida berasal dari pembakaran sempurna hidrokarbon. Sebenarnya gas CO2 tidak berbahaya bagi manusia. Namun, kenaikan kadar CO2 di udara telah mengakibatkan peningkatan suhu di permukaan bumi. Fenomena inilah yang disebut efek rumah kaca (green house effect). Efek rumah kaca adalah suatu peristiwa di alam dimana sinar matahari dapat menembus atap kaca, tetapi sinar infra merah yang dipantulkan tidak bisa menembusnya. Sinar matahari yang tidak bisa keluar itu tetap terperangkap di dalam rumah kaca dan mengakibatkan suhu di dalam rumah kaca meningkat. Seperti itu pula karbon dioksida di udaraa, ia dapat dilewati sinar ultraviolet dan sinar tampak, tetapi menahan sinar inframerah yang dipantulkan dari bumi. Akibatnya suhu dipermukaan bumi naik jika kadar CO2 di udara naik.

2.6.4 Ambang Batas Emisi Gas Buang.

Kementrian Lingkungan Hidup telah menentukan ambang batas emisi gas buang dari pemakaian teknologi motor bakar sebagai alat transportasi. Namun regulasi emisi yang telah dicanangkan pemerintah masih pada penggunaan Bahan Bakar Minyak (BBM). Berikut merupakan ketetapan mengenai Ambang Batas Emisi Gas Buang tertanggal 1 Agustus 2006.

Tabel 2.2 Ambang Batas Emisi Gas Buang

30

Source: Peraturan Menteri Negara Lingkungan Hidup - Nomor 05 Tahun 2006[8]

2.7 Engine Control Unit (ECU)

ECU (Engine Control Unit) merupakan sistem kontrol engine dan dibuat dengan memanfaatkan teknologi microcontroller. ECU memiliki berbagai fungsi, salah satunya menghitung volume injeksi dan durasi injeksi disesuaikan dengan sinyal dari sensor terutama pada beberapa engine. selain itu ECU juga memiliki fungsi sebagai pengatur sudut pengapian pada engine. Dari beberapa sinyal yang dikirim oleh sensor, sinyal analog dikirim ke input sirkuit melalui Analog-to-Digital Converter (ADC) selanjutnya sinyal digital masuk ke komputer. Dan komputer akan memproses sinyal tersebut. Secara garis besar, alur kerja dari sebuah ECU dapat disederhanakan menjadi tiga langkah utama, diantaranya: Input sebagai pengambilan data lingkungan sekitar kendaraan oleh sensor-sensor yang dipasang dalam kendaraan, Proses sebagai analisa dan kalkulasi data hasil masukan oleh mikrokomputer yang mana hasil kalkulasi akan menjadi dasar pengambilan keputusan dalam operasional mesin, dan Output Keluaran dari hasil proses berupa perintah kepada bagian tertentu mesin untuk melakukan sesuatu, sesuai hasil dari kalkulasi pada langkah sebelumnya. Gambar 2.13

31

mengilustrasikan komponen – komponen utama dari salah satu jenis Engine Control Unit (ECU).

Gambar 2.13 Sistem Kerja ECU

secara kompleks, ECU memperoleh inputan dari berbagai komponen seperti intake manifold air temperature, intake manifold air pressure, throttle position, engine RPM, engine oil themperature, dan exhaust O2 content. Selanjutnya ECU memproses data inputan tersebut menjadi beberapa penyesuaian output dengan sistem kontrol yang berbeda. Untuk memahami proses pengontrolan ECU, gambar 2.14 memaparkan skematik yang lebih detail dari proses sistem ECU.

Gambar 2.14 Engine Control Unit Schematic.

ECU (Engine Control Unit)

32

Pada gambar 2.14 Menunjukkan bahwa terdapat beberapa komponen sensor yang perlu signal conditioning karena jenis sensornya yang memiliki signal output analog sehingga dibutuhkan rangkaian analog to digital converter. Selanjutnya signal tersebut ditransfer menuju Module Control Unit agar nantinya dijadikan data pedoman pengaturan output antara lain: seberapa banyak bahan bakar yang ditransmisikan oleh fuel injector, seberapa besar tegangan yang dibangkitkan oleh ignition coil atau bahkan seberapa besar bukaan katup Idle Air Control. Namun. Beberapa ECU dibentuk oleh banyak komponen yang berbeda-beda, tergantung kepada fitur yang dimiliki oleh ECU tersebut. Setiap manufaktur membangun ECU dengan cara yang berbeda-beda, sehingga detail dari komponen ECU akan berbeda dari satu manufaktur ke manufaktur lain. Beberapa jenis ECU, hanya menggunakan sebagian dari beberapa sensor yang disebutkan sebelumnya. Begitu juga pada komponen output, tidak semua jenis ECU yang memiliki fungsi kontrol ketiga komponen output tersebut seperti yang dipaparkan pada gambar 2.14.

33

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Metode Pengujian

Penelitian ini dilakukan secara eksperimental. Alat uji yang digunakan dalam penelitian ini adalah LPG engine-generator set yang divariasikan dengan bahan bakar CNG, sudut pengapian, dan AFR. Selanjutnya engine dimodifikasi sistem pengapiannya dari sistem pengapian magneto menjadi ECU Programable. Proses modifikasi mesin dilakukan di Laboratorium Teknik Pembakaran dan Bahan Bakar (TPBB), Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) - Surabaya. Tahapan penelitian ini dibagi menjadi dua kelompok, yaitu:

1. Kelompok kontrol adalah pengujian kondisi mesin standard (single fuel) yang menggunakan bahan bakar LPG.

2. Kelompok uji adalah pengujian mesin menggunakan bahan bakar CNG dengan variasi sudut pengapian dan AFR yaitu menambahkan blower pada inlet udara.

3.2 Alat Uji

Peralatan uji yang digunakan dalam penelitian ini antara lain :

3.2.1 Engine Test

Engine yang digunakan dalam penelitian ini adalah LPG engine-generator set dengan spesifikasi sebagai berikut :

34

- Merek : Green Power CC5000-LPG

- DayaMaksimum : 4800 Watt - Mode generator : 1 phase atau 3

phase - Jumlah silinder : 1 silinder - Diameter x langkah: 88x64 mm - Bahan bakar : LPG - Tekanan LPG : 25 mbar ~ 32

mbar - Putaran engine : 3000 rpm

Gambar 3.1 Engine test.

3.2.2 Alat Ukur

Alat ukur yang digunakan dalam pengujian terdiri dari :

1. Pressure Regulator Alat ini berfungsi untuk mengatur tekanan bahan bakar gas yang

masuk ke engine, sekaligus berfungsi mengukur tekanan tabung bahan bakar. Adapun spesifikasi pressure regulator tersebut adalah :

− Tipe : 550L − Tekanan maksimal sisi inlet : 16kg/cm2 − Tekanan maksimal sisi outlet : 1.5kg/cm2 − Debit : 6 m3/h

Gambar 3.2 Pressure Regulator.

2. Tang Ampere dan Voltmeter Alat ini digunakan untuk mengukur arus listrik (I) dan tegangan

listrik (V) yang terjadi akibat pemberian beban pada generator listrik.

35

(a) (b) Gambar 3.3 (a) Tang Ampere ; (b) Voltmeter.

3. Alat pengukur putaran mesin (Tachometer)

Tachometer omega merupakan alat ukur putaran dengan memanfaatkan sersor inframerah sebagai inputan.

- Display: 5-digit alphanumeric LCD - Range: 5 to 200,000 rpm - Accuracy: ± 0.01% of reading - Operating Range: 50 mm to 7.6 m (2" to 25') - Environmental: 5 to 40°C (41 to 104°F),

80% RH up to 30°C (86°F)

Gambar 3.4 Tachometer 4. Exhaust Gas Analyzer

Alat ini digunakan untuk mengukur kadar emisi gas buang, meliputi CO, HC, CO2, dan O2.

Gambar 3.5 Exhaust Gas Analyzer.

5. Thermocouple Digital

36

Alat ini digunakan untuk mengukur temperatur bahan bakar, temperatur gas buang, temperatur mesin dan temperatur minyak pelumas.

Gambar 3.6 Thermocouple Digital.

6. Pitot Tube with Static Wall Pressure Tap dan Incined Manometer

Alat ini dipergunakan untuk mengukur jumlah udara dan bahan bakar gas memasuki ruang bakar. Berikut ini merupakan contoh perhitungan kecepatan udara.

(a)

(b) Gambar 3.7 Konfigurasi Pitot Tube dan Inclined Manometer θ

= 15o (a) Flow Measurement ; (b) Oil Level

37

Pitot tube with static wall pressure tap dihubungkan dengan inclined manometer untuk mengetahui besarnya perbedaan ketinggian cairan pada manometer yang nantinya digunakan persamaan Bernoulli sebagai berikut : �� + ��

�� + � = �� + ��

�� + �………. (3.1)

Dimana : P0 = Tekanan stagnasi (pada titik 0) (Pa) P1 = Tekanan statis (pada titik 1) (Pa) ρ = Massa jenis fluida yang mengalir (kg/m3) V1 = Kecepatan di titik 1 (m/s) V0 = Kecepatan di titik 0, kecepatan pada titik stagnasi = 0 m/s

Dengan mengasumsikan ∆z = 0 maka persamaan menjadi :

�� = �� ……………………………. (3.2)

Untuk mencari kecepatan udara yang masuk kedalam ruang bakar dari persamaan diatas menjadi:

� = ��(��)�� ……………………………. (3.3) Dimana :

P0 – P1 = ρred oil . g . h …………………………... (3.4) ρred oil = �ρ��. SG� !"#$%………………………. (3.5) Sehingga pada inclined manometer diperoleh persamaan, P0 – P1 = �ρ��. SG� !"#$% . g . h . sin θ………… (3.6)

h adalah perbedaan ketinggian cairan pada inclined manometer

dengan 015=θ , maka persamaan menjadi :

� = ��(&'�(.)*+,-./0.1.2.3456)��…..………………. (3.7)

Dengan : SGred oil : Spesific gravity red oil (0.827)

38

ρH2O : Massa jenis air (999 kg/m3) ρudara : Massa jenis udara (1.1447 kg/m3) h : Total perbedaan ketinggian cairan pada incline

manometer (m)

θ : Sudut yang digunakan pada inclined manometer (degree) namun V1 merupakan kecepatan maksimal, terlihat dari profil

kecepatan aliran pada internal flow. Hal ini dikarenakan posisi pitot berada pada centerline pipa. Sehingga perlu dirubah menjadi average velocity (�7) yang dapat dirumuskan sebagai berikut:

�8�9�: =

�5�(5;)(�5;)………………………... (3.8)

Dimana: �7 : Kecepatan rata – rata (m/s) Vmax : Kecepatan maksimal dari profil kecepatan aliran. n : variation of power law exponent. Yang di rumuskan sebagai berikut:

< =−1,7 + 1,8 log EF�9�:…………………… (3.9) untuk EF�9�: > 2I10K (aliran turbulen). Sedangkan untuk aliran laminar dapat diperoleh melalui

persamaan berikut: �LMN = 2�7……………………………………… (3.10)

3.2.3 Converter kit dan Peralatan Modifikasi Tambahan Konverter kit yang digunakan agar LPG Engine Generator Set

dapat modifikasi dengan bahan bakar CNG diantaranya:

1. Pressure Reducer Pressure Reducer merupakan suatu alat didalam converter kit

CNG yang berfungsi untuk menurunkan tekanan dari tangki CNG

39

sebelum masuk ke ruang bakar. Adapun gambar dari reducer CNG yang digunakan sebagai berikut :

Gambar 3.8 Pressure Reducer

2. ECU - Programable Digunakan untuk mengatur sudut pengapian engine yang

terhubung langsung dengan Personal Computer (PC). Dengan memanfaatkan posisi pulser sebagai sumber data input serta variabel terikat yang diperoleh dari putaran engine.

Gambar 3.9 ECU-Programable

Pada gambar 3.9 terlihat bahwa ECU juga membutuhkan supply listrik dimana sumber arus listrik 12 volt DC berasal dari

Komputer

40

battery. Ketika engine dihidupkan dengan electric stater, menyebabkan rotor engine berputar dan sekaligus flywhell ikut berputar. Pada saat pulser mengeluarkan sinyal induktif yang masuk ke ECU. Sinyal tersebut berfungsi memberikan informasi ke ECU, untuk memutus atau menghubung arus primer. Arus primer yang terjadi diteruskan ke coil pengapian, kemudian coil pengapian menghasilkan tegangan listrik sekunder tinggi yang dimanfaatkan untuk penyalaan busi.

3. Tanki CNG - Tipe : CNG2

(ISO11439-2000) - Tebal dinding : 5,5 mm - Tinggi tanpa valve : 981 mm - Diameter luar : 370 mm - Berat : 65 kg - CNG capacity : 75 Liter - Service pressure : 20 Mpa

Gambar 3.10 Tangki CNG

4. DC Air Blower Komponen ini digunakan untuk mengatur nilai estimasi AFR

pada saluran inlet karburator.

- Speed: 4000 rpm - Aliran udara: 151.85 CFM - Tekanan: 0.45 inch H2O

Gambar 3.11 Blower Axial

5. Voltage Regulator

Voltage regulator ini digunakan untuk mengatur variasi aliran udara yang dihasilkan oleh Blower Axial.

41

- Place of Origin : Zhejiang China (Mainland)

- Fase : Fase tunggal - Tipe Arus : AC - Input voltage : 220V - Output voltage : 0-250v - Efficiency : 80%

Gambar 3.12 Voltage Regulator

3.3 Skema Penelitian

Gambar 3.13 Skema Penelitian

Pada skema perancangan instalasi diatas terlihat bahwa terdapat percabangan pada saluran bahan bakar LPG dan CNG. namun pada pelaksanaannya, mesin dilakukan pengujian bahan bakar LPG sebagai data acuan, dan juga dilakukan pengujian

42

menggunakan bahan bakar CNG dengan variasi AFR dan sudut pengapian sebagai data kontrol.

Selain itu juga terdapat komponen tambahan dari kondisi instalasi standart seperti voltage regulator beserta blower axial sebagai pengatur jumlah pasokan aliran udara, heater gantung sebagai pengatur stabilitas properties bahan bakar, computer sebagai interface dari ECU - Programable yang mampu mengatur sudut pengapian, selanjutnya juga terdapat beberapa alat ukur lainnya seperti Gas Analyzer sebagai alat untuk mengetahui pengaruh dari karakteristik campuran bahan bakar pada engine, juga terdapat thermocouple sebagai alat ukur temperatur fluida, kemudian juga digunakan tachometer untuk mengetahui putaran engine yang nantinya dijadikan salah satu data acuan performa engine.

3.4 Prosedur Pengujian

3.4.1 Modifikasi saluran inlet udara dengan posisi swing valve karburator fully open

Agar pengujian dapat dilakukan variasi AFR maka perlu di tambah komponen pengatur supply udara. Diantaranya penambahan blower axial dan voltage regulator. Selanjutnya pasokan udara ini ditransmisikan menuju karburator untuk proses pencampuran bahan bakar dengan udara.

43

Gambar 3.14 Instalasi Saluran Udara

3.4.2 Modifikasi Saluran Bahan Bakar Gas. Untuk mendapatkan variasi tekanan bahan bakar yang

masuk ke engine maka perlu dilakukan modifikasi pada saluran bahan bakar gas.

(a) (b)

Gambar 3.15 (a) Skematik Modifikasi Saluran Supply Bahan Bakar Gas.; (b) Saluran Supply Bahan Bakar Gas yang Dimodifikasi.

44

3.4.3 Modifikasi Sistem Pengapian LPG Engine-Generator Set Untuk melakukan variasi derajat pengapian pada

pengoperasian LPG engine-generator set maka perlu dilakukan modifikasi pada sistem pengapian. Sistem pengapian standart yang digunakan LPG engine-generator set merupakan sistem pengapian magneto seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.16. Sistem pengapian magneto terdiri dari flywheel baja yang berputar yang dilengkapi dengan magnet permanen, dipasangkan pada poros engkol engine. Medan magnet yang terdapat pada flywheel sejajar dengan inti armatur pengapian. Pada saat flywheel berputar tegangan AC diinduksikan pada rangkaian primer (coil). Sehingga jika posisi coil terhadap magnet tidak tepat maka induksi magnet ke coil kurang baik, hal ini yang menjadikan sistem pengapian magnet sulit dilakukan pengaturan pada derajat pengapian.

Gambar 3.16 Sistem Pengapian Magneto.

Selanjutnya dilakukan modifikasi pada sistem pengapiannya yaitu menggantinya dengan sistem pengapian ECU - Programable. Pada sistem pengapian elektronik ini diperlukan pulser sebagai signal input ke ECU, sehingga pada flywhell dipasang gigi-gigi yang berfungsi sebagai timing mark untuk pulser. Pembangkit sinyal (pulser) digunakan untuk memberikan impuls listrik dan memberikan sinyal saat pengapian pada ECU. Kemudian ECU akan menghubungkan rangkaian primer pada coil

45

pengapian. Pemasangan pulser dan gigi - gigi pada flywhell ditunjukkan pada gambar 3.17 (b).

(a) (b)

Gambar 3.17 (a) Flywhell yang belum dimodifikasi; (b) Flywhell yang sudah dimodifikasi.

Seperti yang dipaparkan sebelumnya, pengaturan sudut pengapian membutuhkan perangkat lunak komputer yang telah dipasang program interface, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.18 program interface ini mampu memajukan atau memundurkan sudut pengapian mulai dari 10o – 30o BTDC dengan sudut penyapian standard dari engine adalah 20o BTDC. Namun perlu dipertimbangkan range pemunduran ataupun pemajuan sudut pengapian agar tidak terjadi knocking yang merusak komponen utama engine atau bahkan tidak juga terjadi power drop.

Gambar 3.18 Tampilan Pengaturan Derajat Pengapian di komputer.

46

3.4.4 Tahapan Pengujian Dalam pelaksanaan eksperimen ini ada beberapa tahapan

yang dilakukan adalah sebagai berikut :

1. Persiapan Pengujian Persiapan pengujian meliputi setting alat uji dan alat ukur adalah sebagai berikut :

a. Pengecekan kondisi engine sehingga siap untuk digunakan dalam percobaan. Pengecekan yang dilakukan meliputi pengecekan kondisi karburator, pelumasan, bahan bakar dan sistem pembebanan.

b. Pengecekan dan pemasangan alat-alat ukur yang digunakan untuk pengujian.

c. Mempersiapkan tabel pengambilan data.

2. Proses Pengujian Pada penelitian ini pengujian dilakukan dengan

memvariasikan AFR dan derajat pengapian. Pengaturan tekanan supply bahan bakar dilakukan melalui pressure regulator, sedangkan pengaturan derajat pengapian dilakukan melalui program interface ECU. Adapun langkah pengujian adalah sebagai berikut : 1. Pengujian dengan bahan bakar LPG

a. Posisikan circuit breaker pada posisi Off, yang tujuannya adalah untuk memastikan engine pada awal operasi pada keadaan tidak berbeban.

b. Posisikan engine switch pada posisi On, yaitu untuk memastikan bahwa katup utama bahan bakar masuk menuju ke ruang bakar telah terbuka.

c. Posisikan choke switch pada posisi Close. Agar pada saat start, supply campuran bahan bakar dan udara menjadi kaya.

d. Pada saluran bahan bakar, posisikan isolating valve untuk pressure gauge (skala mbar) pada posisi tertutup hal ini bertujuan untuk mengamankan pressure gauge (skala mbar)

47

ketika pengaturan bukaan pressure regulator yang berlebihan pada awal bukaan.

e. Atur derajat pengapian pada komputer yaitu pada kondisi standard 20oBTDC.

f. Atur bukaan pressure regulator untuk mendapatkan tekanan bahan bakar yang diinginkan.

g. Menghidupkan engine. h. Posisikan choke switch pada posisi Open. i. Melakukan pengkondisian engine pada putaran idle (tanpa

beban) selama + 5 menit untuk mencapai kondisi steady state atau stasioner.

j. Posisikan circuit breaker pada posisi On, kemudian naikan beban secara perlahan 500W sampai beban 4500W dengan interval 500W, dengan tegangan listrik minimal 180 Volt. Kenaikan beban diikuti dengan bukaan pressure regulator untuk mendapat tekanan bahan bakar gas yang diinginkan, yaitu dilakukan pengujian pada bahan bakar LPG standard dengan tekanan 30mbar.

k. Pada setiap pengujian engine, dilakukan pencatatan beberapa data.

2. Selanjutnya dilakukan pengujian dengan bahan bakar CNG

Untuk pengujian dengan menggunakan bahan bakar CNG, metode yang digunakan sama seperti dengan pengujian pada bahan bakar LPG. Namun pada pengujian CNG terdapat beberapa langkah tambahan pada pengaturan supply bahan bakar seperti berikut: a. Pastikan katup saluran yang menuju bahan bakar LPG

tertutup b. Periksa tekanan pada tabung CNG apakah masih mencukupi

dengan melihat pressure gage yang terpasang pada pressure reducer

c. Pasang socket pada solenoid valve dari pressure reducer sebagai penyalur supply tegangan 12 V agar solenoid valve berada pada posisi terbuka.

48

d. Posisikan circuit breaker pada posisi Off, yang tujuannya adalah untuk memastikan engine pada awal operasi pada keadaan tidak berbeban.

e. Posisikan engine switch pada posisi On, yaitu untuk memastikan bahwa katup utama bahan bakar masuk menuju ke ruang bakar telah terbuka.

f. Posisikan choke switch pada posisi Close. Agar pada saat start, supply campuran bahan bakar dan udara menjadi kaya.

g. Pada saluran bahan bakar, posisikan isolating valve untuk pressure gauge (skala mbar) pada posisi tertutup. Yang tujuannya untuk mengamankan pressure gauge (skala mbar) ketika pengaturan bukaan pressure regulator yang berlebihan pada awal bukaan.

h. Pasang blower axial yang terhubung dengan voltage regulator sebagai pengatur supply udara

i. Atur voltage regulator pada posisi awal 12 Volt j. Atur derajat pengapian pada komputer sesuai yang

diinginkan (20o, 23o dan 26o BTDC) yaitu pada kondisi awal 20oBTDC.

k. Atur bukaan pressure regulator untuk mendapatkan tekanan bahan bakar yang diinginkan.

l. Menghidupkan engine. m. Posisikan choke switch pada posisi Open. n. Melakukan pengkondisian engine pada putaran idle (tanpa

beban) selama + 5 menit untuk mencapai kondisi steady state atau stasioner.

o. Posisikan circuit breaker pada posisi On, kemudian naikan beban secara perlahan 500W sampai beban 4500W dengan interval 500W, dengan tegangan listrik minimal 180 Volt. Kenaikan beban diikuti dengan bukaan pressure regulator untuk mendapat tekanan bahan bakar gas yang diinginkan, yaitu dilakukan pengujian pada bahan bakar CNG 40, 80, 120, 160 mbar.

49

p. Variasikan voltage regulator sesuai dengan kondisi yang diinginkan sebagai komponen pengatur blower axial, yaitu 12V dan 24V

q. Dengan derajat pengapian yang sama, pengambilan data akan didapatkan untuk variasi tekanan bahan bakar dan variasi voltage regulator.

r. Pada setiap pengujian engine, dilakukan pencatatan beberapa data.

s. Setelah selesai, beban diturunkan sampai tanpa beban kemudian engine dimatikan.

t. Dilakukan pengaturan derajat pengapian yang lain (20o, 23o dan 26o BTDC). Kemudian kembali dilakukan pengujian engine dengan metode dan urutan dari point pertama.

3. Pengujian temperatur bahan bakar, engine, gas buang dan oli Pada pengujian temperatur dilakukan pencatatan bersamaan

saat pengujian engine dengan bahan bakar LPG maupun CNG, dimana temperatur tersebut dapat diketahui dari nilai yang tertera pada alat baca thermocouple digital.

4. Akhir pengujian

Untuk setiap akhir pengujian, maka engine yang dipakai sebagai alat uji dimatikan dengan cara sebagai berikut :

a. Menurunkan beban yang bersamaan memutar regulator sampai engine tidak berbeban.

b. Untuk engine dibiarkan pada putaran idle tersebut selama + 1 menit untuk mencapai kondisi steady state atau stasioner.

c. Engine dimatikan.

50

3.5 Flowchart Penelitian 3.5.1 Flowchart Percobaan LPG

Gambar 3.19 Flowchart Percobaan dengan Bahan Bakar LPG

51

3.5.2 Flowchart Percobaan CNG

(a)

52

(b)

Gambar 3.20 (a)Flowchart Percobaan dengan Bahan Bakar CNG.; (b) Lanjutan

3.6 Rancangan Eksperimen

Pada penelitian ini, ditetapkan beberapa parameter input dan output sehingga hasil dari penelitian diharapkan sesuai dengan

53

yang diharapkan. Dari percobaan ini data-data yang dihitung dan kemudian ditampilkan dalam bentuk :

a. Grafik daya terhadap beban generator. b. Grafik mep terhadap beban generator. c. Grafik torsi terhadap beban generator. d. Grafik sfc terhadap beban generator. e. Grafik ηth, ηvolumetris terhadap beban generator. f. Grafik emisi terhadap beban generator. g. Grafik temperatur dinding engine terhadap beban

generator. h. Grafik temperatur oli pelumas terhadap beban generator. i. Grafik temperatur gas buang terhadap beban generator.

Tabel 3.1 Rancangan Eksperimen

54

(halaman ini sengaja dikosongkan)

55

BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN

Pada bab ini membahas mengenai hasil penelitian yang telah dilakukan, yang terdiri dari contoh perhitungan dan data percobaan analisa grafik. Perhitungan yang dilakukan adalah daya, torsi, konsimsi bahan bakar spesifik (SFC), tekanan efektif rata-rata (MEP), efisiensi thermal, efisiensi volumetric dan AFR. Adapun untuk data hasil penelitian, hanya data – data tertentu saja yang ditampilkan dalam bab ini yaitu data yang digunakan sebagai contoh perhitungan unjuk kerja. Sedangkan untuk data hasil penelitian seluruhnya bisa dilihat pada lampiran.

4.1 Pengujian Eksperimen

Pengujian dilakukan

studi eksperimental unjuk kerja lpg engine...

Documents